基於 CT 影像進行增材製造的冠狀動脈支架分析

概述

雷射粉末床熔合技術（L-PBF）在金屬增材製造（AM）方面的發展，能夠實現在微米範圍內製造出高度多孔的細胞結構，因此理論上可以用於製造冠狀動脈支架。

然而製程中產生的不平整導致實際 L-PBF 支架與預期支架（CAD 模型）之間的形態和力學性能出現偏差。著重分析 L-PBF 支架的擴張行為，進一步研究這些不平整性的影響，基於實際和計算重建的 L-PBF 支架的實驗和計算聯合框架。

亮點

使用 Simpleware ScanIP 基於 µCT 數據重建 L-PBF 支架模型
使用 Simpleware FE 產生穩健且高效的支架網格模型，並使用 Abaqus FEA 軟體進行後續結構分析
將重構的支架模型結合實驗測試與數值分析，反推 L-PBF 支架的力學性能
分析製造中產生的不平整性對力學行為的影響，特別是 L-PBF 支架的膨脹行為。

實驗數據

雷射粉床融合 (L-PBF) 支架由 FIT Production GmbH 製造。 L-PBF 支架的分析考慮了熱處理、電拋光和熱處理兩種情況下的條件。首先獲取支架結構的 μCT 圖像，然後將支架放置在兩塊板之間壓縮確定它們的徑向強度。在原始的實驗中還對製造的支架做了進一步研究（參見 Wiesent 等人 (2020)）。

支架模型重建與有限元分析

將 µCT 數據導入 Simpleware ScanIP 中，並使用 Flood Fill 工具進行分割，計算內部孔隙率。透過使用形態濾波器（侵蝕、擴張、開啟和關閉）並應用布林運算，產生了內部孔隙的 3D 模型。在 Simpleware FE 模組中對支架模型進行網格劃分，透過穩健的網格劃分演算法產生高品質的 FE 網格。隨後將支架模型直接導入 SIMULIA Abaqus FEA 軟體中進行結構力學分析，重點分析兩板之間的支架壓縮和支架-球囊擴張。

圖：三個模型離散化圖示。從左至右分別為：重建經熱處理支架模型、重建經熱處理和電拋光支架模型、以 CAD 模型為參考支架模型

圖：雷射粉末床融合（L-PBF）支架在壓縮 0.8 mm 時外表面 von Mises 應力 σvM 等值線圖，從左至右分別為：重建經熱處理支架模型、重建經熱處理和電拋光支架模型、以 CAD 模型為參考支架模型

結果

透過將重建的 L-PBF 支架模型的數值預測壓縮行為與實驗數據進行比較，反推並驗證 L-PBF 支架的材料性能。製程中產生的不平整性導致預期支柱直徑的增加，從而導致幾何剛度增加。

因此，基於理想化支架模型的數值模擬導致了徑向剛度的顯著低估，而基於重建支架模型的有限元素分析成功地預測了壓縮下的全局宏觀支架行為。

隨後對重建支架模型的膨脹分析顯示，電拋光和熱處理的 L-PBF 支架可以表現出與傳統支架相當的膨脹行為。然而，由於形態不平整，例如在凹口區域和局部減少的支柱橫截面區域，在 L-PBF 支架內觀察到臨界局部應力集中。

圖：比較實驗確定的支架在壓縮情況下全域力學回應（陰影曲線區域）與基於重建經熱處理支架模型（HT，紅色）、重建經熱處理和電拋光支架模型（EP，HT，藍色）和以 CAD 模型為參考模型的支架模型（綠色）的數值預測回應

結論

本案例提出了一種經過驗證的實驗和數值方法，可以對不同後處理步驟後的 L-PBF 支架進行綜合分析。結果表明，考慮製程產生的不平整性（例如透過 CT 數據重建實際支架）對於獲得可靠的數值分析至關重要。這項工作的結果激發了 L-PBF 支架領域的進一步研究以及關鍵幾何不規則閾值的量化，這對於建立 L-PBF 支架/網格結構的設計準則至關重要。